Revolucionarno otkriće enzimi koji za manje od 24 sata razgrađuju plastiku
Znanstvenici iz SAD-a su, pojašnjava doc. dr. Marin Ježić, uz pomoć strojnog učenja dobili enzime efikasnije od postojećih
Biciklist u moru kod Šibenika pronašao plastičnu čašu od jogurta staru 25 godina vijest je koja je u svibnju 2020. obišla većinu medija. Anita Babačić Ajduk, ravnateljica Javne ustanove Priroda Šibensko-kninske županije, taj je pronalazak iskoristila kako bi upozorila da se plastika vrlo sporo razgrađuje, a da mikroplastika postaje dio hranidbenog lanca morskih životinja, a posljedično i ljudi. Teoretski, netko je prije 25 godina pojeo fermentirano mlijeko s rokom trajanja od nekoliko dana i plastičnu čašu bacio u more, a netko će za pedesetak godina pojesti skušu ili brancina “punjenog” mikroplastikom iz ambalaže istog tog jogurta.
Težina kreditne kartice
Čovjek je na kraju hranidbenog lanca i na kraju kuša kašu koju je sam zakuhao (u prosjeku može unijeti do pet grama mikroplastike tjedno, koliko teži kreditna kartica). Najveća nakupina smeća u oceanima, nazvana Veliki tihooceanski otok smeća, dva i pol puta veća je od površine Francuske! Znanstvenici desetljećima pokušavaju pronaći najučinkovitije (i najjeftinije) rješenje za razgradnju plastike. Skupina inženjera sa Sveučilišta u Austinu u Teksasu stvorila je enzim koji može razgraditi plastiku u samo nekoliko sati do najviše jednog dana! Rezultate su objavili u Natureu, a čim su izašli u javnost, počele su rasprave jesmo li na pragu revolucionarnog otkrića, jednog od najznačajnijih u modernom dobu, koje će pomoći u rješavanju jednog od najalarmantnijih svjetskih ekoloških problema – što s milijardama tona plastičnog otpada koji se gomilaju na odlagalištima i zagađuju zemlju i vodu? Enzim, tvrde inženjeri iz Austina, ima potencijal povećati recikliranje u velikim razmjerima, što bi omogućilo industriji da smanji svoj utjecaj na okoliš obnavljanjem i ponovnom upotrebom plastike na molekularnoj razini.
– Mogućnosti su beskrajne u različitim industrijama za iskorištavanje procesa recikliranja – rekao je Hal Alper, profesor na Odjelu za kemijsko inženjerstvo, i dodao da se može govoriti o pravoj kružnoj ekonomiji plastike.
Pojednostavljeno, istraživanje je fokus imalo na polietilen-tereftalatu (PET), polimeru koji
Mislim da je ovo istraživanje izuzetno vrijedno i da zaslužuje da se nastavi, na primjer za druge tipove plastike osim PET-a Doc. dr. Marin Ježić,
Prirodoslovno-matematički fakultet Istraživanje je povezalo nekoliko različitih disciplina, od sintetičke biologije preko kemijskog inženjerstva do umjetne inteligencije Andrew Ellington,
Centar za sustave i sintetičku biologiju
se nalazi u ambalaži, od čaša za jogurte do boca za sokove. Takav otpad čini između osam i 12 posto ukupnog svjetskog otpada. Enzim razgrađuje plastiku na manje dijelove u procesu koji se naziva depolimerizacija, a potom je kemijski ponovno spaja u repolimerizaciji. U nekim slučajevima plastika se može u potpunosti, do monomera, razgraditi za manje od 24 sata! Masovna proizvodnja plastike počela je 50-ih godina prošlog stoljeća, kad se počelo s dva milijuna tona godišnje, da bi godišnja “proizvodnja” narasla na gotovo 380 milijuna, a u tih sedamdesetak godina nakupilo gotovo osam milijardi tona. Vrlo mali postotak se reciklira, jedna na svakih deset tona se spali, a sve ostalo baca se na deponije ili u prirodu. Da bi se razgradila i raspala, plastici treba od 20 do nekoliko tisuća godina. Stručnjaci upozoravaju da se dio plastike može reciklirati samo jedanput ili dva puta pa se traži trajnije i učinkovitije rješenje. Ako se ne zbrine na pravilan način, plastični otpad može osloboditi štetne plinove poput metana i ugljikova dioksida i monoksida te dioksina, kao i štetne spojeve poput ftalata i bisfenola A.
Ako se nešto ne učini, do 2050. godine u oceanima će biti veća masa plastike nego riba. Razgradnja uz pomoć mikroorganizama jedan je od načina zbrinjavanja. To se naziva bioinženjeringom, odnosno biološkim recikliranjem. Istraživači sa Sveučilišta u Teksasu otkrili su, razvili i patentirali postupak kojim pet vrsta enzima, mutanata prirodnih enzima, može depolimerizirati PET ambalažu. Kako nam pojašnjava stručnjak za to područje, enzimi su uglavnom proteini, a tih pet nazvano je PETase i djeluju kao biološki katalizatori koji omogućavaju hidrolizu PET-a, nakon čega bakterije “napadaju” materijal i razgrađuju ga do razine monomera na niskim temperaturama između 30 i 50 Celzijevih stupnjeva.
Kako je istaknuo Andrew Ellington iz Centra za sustave i sintetičku biologiju čiji je tim vodio razvoj modela strojnog učenja, “istraživanje je povezalo nekoliko različitih disciplina, od sintetičke biologije preko kemijskog inženjerstva do umjetne inteligencije”. Uz PET, najčešće vrste plastike su polietilen, polistiren, polipropilen i polivinil-klorid (PVC). Polietilen (PE) se upotrebljava u proizvodnju plastičnih vrećica, igračaka i ambalaže za hranu. Biorazgradnja s pomoću mikroorganizama kao što su bakterije, gljive i alge može se odvijati uz pomoć kisika ili bez njega. Kako je riječ o relativno novim materijalima, priroda nije imala vremena razviti visoko aktivne i učinkovite “divlje” enzime. Jedna od bakterija koje se koriste jest Ideonella sakaiensis koju su prije šest godina izolirali znanstvenici u Japanu. Pokazalo se da je taj soj razgrađivao PET ambalažu znatno brže od do tada poznatih mikroorganizama. Doc. dr. Marin Ježić s Biološkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta u Zagrebu kaže nam da je razgradnja plastike enzimima, i to konkretno u ovom slučaju PET-a, problematična jer su enzimi koji mogu razgraditi plastiku osjetljivi na promjene pH i temperature. Teško ih je “prisiliti” da rade u neidealnim uvjetima, na primjer u velikim industrijskim pogonima, i zato, ističe, teško mogu razgrađivati plastiku direktno iz otpada. Znanstvenici iz Austina su, pojašnjava, pomoću strojnog učenja dizajnirali nove enzime slične već postojećim, no nešto drugačije i potencijalno efikasnije, koji su bolji u tom procesu.
– Također, autori sugeriraju da bi zapravo mogli napraviti depolimerizaciju i onda ponovno iz dobivenih monomera napraviti nove plastične proizvode. Teoretski, time bismo mogli imati kompletno zatvoren ciklus u kojem bismo iz plastičnog otpada mogli ponovno dobiti nove plastične proizvode prema potrebi – kaže doc. dr. Ježić.
Bez zakonske regulative
Ta se ideja, dodaje, čini kao značajno poboljšanje postojećih sustava jer su drugi enzimi koji su manje efikasni u degradaciji plastike, kako bi se cijeli proces olakšao, ubrzao i učinio učinkovitijim.
– Mislim da je ovo istraživanje izuzetno vrijedno i da zaslužuje da se nastavi, na primjer za druge tipove plastike, pogotovo jer demonstrira važnost strojnog učenja u dizajnu novih enzima koji nam mogu poslužiti i u drugim sferama života. Nažalost, sve se ipak svodi na ekonomsku računicu industrije koja proizvodi tu plastiku. Dok ne postoji globalna zakonska regulativa koja bi prisilila industriju koja proizvodi plastiku da je nakon konzumacije preuzima i reciklira, ne vidim kako bi primjena ovog sustava mogla šire zaživjeti. Dok je proizvodnja plastike jeftina i dok proizvođači plastike nemaju financijski poticaj da je i recikliraju, primjena ovog novog sustava izvan laboratorija vrlo je teško ostvariva. Osim toga, početna ulaganja u ovakve sustave bi bila izuzetno skupa u smislu izgradnje pogona za enzimatsku razgradnju plastičnog otpada i sve prateće potrebne objekte/postrojenja. Nažalost, mnoge slične dobre stvari teško se probiju upravo kroz taj financijski aspekt. Obnovljivi izvori energije nisu zaživjeli dok proizvodnja struje iz vjetra ili sunca nije postala jeftinija. Ne smije se zaboraviti ni lobiranje industrije fosilnih goriva u cijeloj priči, nešto slično što se može dogoditi i ovdje. Također, nemojmo zaboraviti da je plastična ambalaža, jer je jeftina i praktična, praktički istisnula staklene boce iz industrije pića. Na koncu, ne možemo zaboraviti ni da je primjena i promjena zakonskih okvira često spora, što dodatno može usporiti primjenu ovakvih novih tehnologija – zaključuje doc. dr. Ježić.